保護(hù)系統(tǒng)對電網(wǎng)連鎖故障發(fā)展影響仿真分析

廖叔洋，劉軍

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230061；2.國網(wǎng)安徽省電力公司淮南供電公司，安徽淮南232001）

保護(hù)系統(tǒng)對電網(wǎng)連鎖故障發(fā)展影響仿真分析

廖叔洋1，劉軍2

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230061；2.國網(wǎng)安徽省電力公司淮南供電公司，安徽淮南232001）

針對電力系統(tǒng)仿真模型難以準(zhǔn)確模擬實際電網(wǎng)連鎖故障發(fā)生過程中保護(hù)動作特性的問題，建立較為詳細(xì)的保護(hù)模型。以電力系統(tǒng)保護(hù)為主要研究對象，基于PSASP用戶自定義模塊搭建保護(hù)模型，并應(yīng)用于連鎖故障的仿真。仿真模擬了保護(hù)的不同動作特性對連鎖故障發(fā)展的影響，實現(xiàn)了連鎖故障的仿真分析。仿真算例證實了該模型的有效性及合理性。

保護(hù)建模；連鎖故障；PSASP

0 引言

近年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起連鎖故障引起的大停電事故。在歷次的連鎖故障發(fā)生過程中，保護(hù)裝置都扮演著重要的角色［1］。2006年華中電網(wǎng)事故的最主要原因是500 kV嵩鄭Ⅱ線保護(hù)裝置誤動作［2］，印度2012年“7·30”和“7·31”兩次大停電事故的觸發(fā)原因均是潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的距離Ⅲ段保護(hù)跳閘［3］。

國內(nèi)外學(xué)者對保護(hù)裝置的建模及其對連鎖故障發(fā)展的影響進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)［4］基于Markov狀態(tài)空間法，針對電力系統(tǒng)中常見的保護(hù)配置方式分別進(jìn)行概率建模。文獻(xiàn)［5］針對單一主保護(hù)和主后備保護(hù)系統(tǒng)，基于狀態(tài)維修環(huán)境，首次建立詳細(xì)的、考慮人為失誤影響的保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］使用PSASP的用戶自定義模塊，建立保護(hù)模型來仿真保護(hù)動作行為，并驗證該方法的可行性，但其研究重點側(cè)重于保護(hù)裝置的建模，在連鎖故障的應(yīng)用上并未深入展開，也并未考慮保護(hù)不同動作特性的仿真；文獻(xiàn)［6］的保護(hù)模型僅針對相間距離保護(hù)建模，不能反映發(fā)生接地故障時保護(hù)的動作情況；文獻(xiàn)［7］的主保護(hù)采用定時判別法而不是定值判別法，在一定程度上簡化了模型，但是難以反映故障切除后系統(tǒng)振蕩等運行狀態(tài)對主保護(hù)的影響?，F(xiàn)有的仿真分析大多采用的是概率統(tǒng)計和概率抽樣的方法，難以真實反映連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過程中保護(hù)裝置的實際動作特性。

針對現(xiàn)有建模方法的不足，基于PSASP軟件，以線路保護(hù)為主，對保護(hù)裝置進(jìn)行建模并應(yīng)用到連鎖故障仿真中，討論保護(hù)的不同動作特性對于連鎖故障發(fā)展的影響。采用IEEE39節(jié)點算例，驗證仿真的合理性。

1 繼電保護(hù)裝置建模

距離保護(hù)是利用短路發(fā)生時電壓、電流同時變

化的特征，測量電壓與電流的比值，反映故障點到保護(hù)安裝處的距離，判斷故障是否處于保護(hù)區(qū)內(nèi)，在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用［8］。本文采用閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)。閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)可以看作是由兩端完整的三段式距離保護(hù)附加高頻通信部分［9］，以距離III段作啟動元件，距離II段作方向判別元件與停信元件，距離I段作兩端各自獨立跳閘段。距離保護(hù)動作區(qū)域如圖1所示。

圖1 距離保護(hù)動作區(qū)域示意

在連鎖故障的仿真過程中，如果對保護(hù)系統(tǒng)的每一個元件都詳細(xì)模擬，必將導(dǎo)致計算量的大幅增加，因此在對保護(hù)裝置進(jìn)行建模時做部分簡化，側(cè)重于對縱聯(lián)保護(hù)原理的建模，反映保護(hù)在連鎖故障發(fā)生過程中的動作行為，以求在仿真速度和計算精準(zhǔn)度間能夠取得較好的平衡。采用定值判別法，更為貼近實際電網(wǎng)的保護(hù)配置，進(jìn)而可以模擬保護(hù)的不同動作特性對連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過程的影響。

使用PSASP軟件對上述保護(hù)原理進(jìn)行建模［10-11］。圖2給出了保護(hù)模型示意圖。模型由測量元件、振蕩閉鎖元件、邏輯判斷元件、動作元件、通信元件等構(gòu)成。測量元件分別配置相間距離保護(hù)和接地距離保護(hù)，輸出測量阻抗幅值和相角，經(jīng)過整定計算后輸出邏輯信號。各段動作信號經(jīng)延時或振蕩閉鎖后輸出。

圖2 距離保護(hù)模型示意

2 仿真流程

圖3給出了使用UD模型進(jìn)行連鎖故障仿真的流程。仿真開始前需進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括潮流計算、模型配置和定值整定等。潮流計算是基礎(chǔ)工作，給后續(xù)的定值整定、暫態(tài)計算等提供基礎(chǔ)潮流。模型配置包括對UD模型的配置，還包括對暫態(tài)穩(wěn)定分析計算的配置等，將所需要的模型通過UD調(diào)用等方式添加到電力系統(tǒng)中去。連鎖故障仿真的過程中，PSASP可以通過UD調(diào)用來完成電力系統(tǒng)各電氣信號和UD模型邏輯信號的交互，將采集量輸送到UD模型中，模型經(jīng)過判斷后發(fā)出動作邏輯信號，并將信號通過UD接口返回電力系統(tǒng)中去，完成一次計算。接著系統(tǒng)收集各保護(hù)裝置動作信息進(jìn)行相應(yīng)動作，并判斷是否達(dá)到穩(wěn)定要求，系統(tǒng)失穩(wěn)或達(dá)到預(yù)設(shè)仿真時長后，結(jié)束本次仿真，進(jìn)行結(jié)果分析。

圖3 連鎖故障仿真流程

3 仿真算例分析

以IEEE39節(jié)點系統(tǒng)為例，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，規(guī)定線路兩側(cè)中，編號較小的節(jié)點側(cè)為i側(cè)，編號較大的節(jié)點側(cè)為j側(cè)，全網(wǎng)線路的兩側(cè)均添加保護(hù)模型，部分算例添加控制裝置以作對比。

圖4 IEEE39節(jié)點系統(tǒng)

3.1 保護(hù)裝置正確動作仿真

預(yù)設(shè)0.2 s時線路11上50%處發(fā)生三相永久接地短路，仿真時長50 s。

仿真結(jié)果如下：線路11上發(fā)生故障后，11線兩側(cè)UD保護(hù)均在0.24 s發(fā)出跳閘信號，線路11被切除，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，其他保護(hù)均無動作。線路11上電流曲線以及系統(tǒng)穩(wěn)定曲線如圖5所示。圖5中可以看出11線被切除后電流為0，系統(tǒng)的功角在振蕩后趨于穩(wěn)定。

3.2 保護(hù)誤動作仿真

預(yù)設(shè)0.2 s時線路11上50%處發(fā)生三相永久接地短路，線路9上i側(cè)距離Ⅲ段保護(hù)定時器含有隱性故障，線路9距離Ⅲ段出現(xiàn)誤動作，仿真時長50 s。

仿真結(jié)果：線路11上發(fā)生故障后，11線兩側(cè)UD保護(hù)模型主保護(hù)均在0.24 s發(fā)出跳閘信號，線路11被切除。線路9上i側(cè)距離Ⅲ段保護(hù)由于定時器的隱性故障導(dǎo)致誤動作，0.24 s誤切除9線。9線和11線切除后，線路18上潮流過載，距離Ⅲ段于1.76 s動作切除線路。此時系統(tǒng)解列成兩個電網(wǎng)，分別是31、32節(jié)點上發(fā)電機(jī)及其相關(guān)線路組成的小電網(wǎng)和其余部分組成的大電網(wǎng)。整個系統(tǒng)于1.94 s失去穩(wěn)定，仿真結(jié)束，系統(tǒng)電壓振蕩曲線如圖6所示。圖6可以看出系統(tǒng)的最低電壓在18線切除后劇烈振蕩，系統(tǒng)因電壓振蕩而失去穩(wěn)定。

圖5 線路11故障后仿真曲線

圖6 線路11故障后保護(hù)誤動系統(tǒng)電壓振蕩曲線

3.3 保護(hù)裝置拒動作仿真

預(yù)設(shè)0.2 s時線路11上50%處發(fā)生A相永久接地短路，線路11上i側(cè)主保護(hù)拒動，后備保護(hù)于故障發(fā)生后0.54 s動作切除線路，不考慮控制措施的動作情況，仿真時長50 s。

仿真結(jié)果：線路11上j側(cè)在故障發(fā)生后立即動作，i側(cè)主保護(hù)拒動，后備保護(hù)于0.76 s切除線路。表1給出了該次仿真的事故序列。

表1 保護(hù)拒動后的事故序列仿真

表1線路10的距離III段保護(hù)，作為11線i側(cè)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，在11線主保護(hù)和近后備保護(hù)拒動的情況下應(yīng)當(dāng)可靠動作。但是11線的i側(cè)主保護(hù)拒動，后備保護(hù)于故障發(fā)生后0.54 s可靠切除故障，由于11線的故障未能及時切除，導(dǎo)致10線上短路電流持續(xù)增大，之后11線雖然被切除，但10線依舊過載，測量阻抗落入動作范圍，觸發(fā)保護(hù)動作。這一結(jié)果在實際仿真進(jìn)行前是難以準(zhǔn)確預(yù)測的，同時可以看出保護(hù)拒動對電力系統(tǒng)的影響：不僅不能及時切除故障，還可能會引發(fā)其他繼發(fā)性故障。

系統(tǒng)于4.04 s失去穩(wěn)定，功角振蕩曲線如圖7所示。

圖7 線路11故障后保護(hù)拒動系統(tǒng)功角振蕩曲線

4 結(jié)語

通過分析繼電保護(hù)的特性，基于PSASP的用戶自定義模型搭建了較為詳細(xì)的保護(hù)模型，并實現(xiàn)了連鎖故障的仿真。在仿真中可以模擬電網(wǎng)中的保護(hù)動作，仿真保護(hù)的不同動作特性對連鎖故障發(fā)展過程的影響，仿真表明保護(hù)不正確動作會給系統(tǒng)帶來惡劣影響，造成事故范圍的擴(kuò)大。該仿真結(jié)果更加接近實際電網(wǎng)在發(fā)生連鎖故障過程中的動態(tài)特性。

［1］劉友波，胥威汀.電力系統(tǒng)連鎖故障分析理論與應(yīng)用（二）——關(guān)鍵特征與研究啟示［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（10）：146-155.

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［3］湯涌，卜廣全，易俊.印度“7.30”、“7.31”大停電事故分析及啟示［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（25）：167-174.

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［6］丁天池，夏天.基于繼電保護(hù)UD建模的連鎖故障仿真分析［J］.黑龍江電力，2011，33（6）：426-428.

［7］孫元章，楊軍.電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（20）：47-51.

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［10］丁天池，夏天.基于繼電保護(hù)UD建模的連鎖故障仿真分析［J］.黑龍江電力，2011，33（6）：426-428.

［11］孫元章，楊軍.電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（20）：47-51.

Simulation Analysis of the Impact of Protection System on the Development Process of Power System Cascading Failure

LIAO Shuyang1，LIU Jun2
（1.State Grid Anhui Maintenance Company，Hefei 230061，China；2.State Grid Huainan Electric Power Supply Company，Huainan 232001，China）

In view of the problem that the current model of power system is difficult to accurately simulate the action logic of relay protection，a detail relay protection model is proposed.With user-defined model in PSASP，a protection model is built to simulate cascading failures.The simulation includes acts of relay protection and their effects to the development of cascading failures.It is showed that simulation analysis of cascading failures based on this protection model can reflect the dynamic behavior of relay protection in power system.The rationality and effectiveness of the proposed protection model are verified by a test on IEEE 39-bus system.

model of relay protection；cascading failures；PSASP

TM743；TM71

A

1007－9904（2016）09－0053－04

2016-05-17

廖叔洋（1990），男，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

劉軍（1990），男，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。